[实用新型]一种低杂散电感衬底及其功率半导体模块

说明书

技术领域

本实用新型具体涉及一种衬底和功率半导体模块，具体是涉及了一种安装有多个功率半导体芯片的衬底和包括这样衬底和功率半导体芯片的功率半导体模块。

背景技术

对于工作在开关状态的功率半导体模块，关断时的电压尖峰(ΔV＝L×di/dt)取决于功率半导体元件关断时的电流变化率di/dt和换流回路的杂散电感L。在功率半导体模块关断时，半导体元件上的电压等于直流母线电压Vdc与电压尖峰ΔV之和，若该电压超过半导体元件的额定值，则会导致元件击穿和失效。而提高半导体元件的开关速度di/dt有利于减小模块的开关损耗。另一方面，在半导体元件最大电压一定的情况下，减小电压尖峰ΔV可帮助提高模块可允许的最大母线电压，从而提高功率模块的输出功率。因此，减小功率半导体模块的杂散电感对于提高模块的开关频率、减小开关损耗和提高模块的功率密度十分重要，需要在设计功率半导体模块时着重考虑。

功率半导体模块的杂散电感一般包括正负连接端子的杂散电感、模块衬底的杂散电感，以及它们之间的互感。为减小杂散电感，需要减小回路面积。对于正负连接端子，可通过(1)减小正负端子间距；(2)增加正负端子交叠面积；(3)正负端子焊盘和引脚交错布置的方式减小杂散电感。

对于组成半桥模块的衬底，其功率回路包括正、负和交流三个电势区，电势区由衬底表面的金属敷层和用于连接金属敷层的连接装置组成，连接装置可为绑定线、金属带等。正电势区与交流电势区、交流电势区与负电势区之间布置有功率半导体元件，并通过直接焊接或绑定线的方式与电势区连接。正、负和交流电势区布置有对外连接端子。功率模块关断时，造成电压尖峰的关断电流流经正极连接端子、正电势区、上桥臂功率元件、交流电势区、下桥臂功率元件、负电势区和负极连接端子。要减小衬底的杂散电感需要尽量减小上述回路的面积。

由于单个功率半导体芯片通流能力有限，大容量的功率半导体模块内部通常采用多芯片并联的方式组成上下桥臂。对于多芯片并联的模块，各芯片功率回路的杂散参数不均会导致开关瞬态过程中各芯片的电流变化率不一致，影响芯片瞬态特性和热分布，产生设计短板。因此，在设计低杂散电感衬底的过程中还应考虑并联芯片间的空间位置分布所带来的动态均流问题，使每块并联芯片的杂散电感尽量一致。

此外，功率半导体芯片是功率模块的主要热源，芯片过热会引发其通流能力的退化并增加模块的失效风险。对于紧密放置的功率半导体芯片，芯片间的传热行为随芯片间距的减小而增强，因此需要限制并联芯片放置的间距，防止芯片间的过强的热耦合影响模块性能。另外，对于采用强迫风冷和液冷的功率模块，由于冷却介质会被热源加热，必然会存在由于冷却介质流动导致的串热问题，具体表现为在同等散热条件下靠近出水口或出风口的功率半导体芯片温度高于入水口或进风口的功率半导体芯片。模块内最高温度的芯片限制了模块的输出功率，导致温度较低的芯片性能不能得到完全发挥。因此，在设计低杂散电感衬底时还应考虑芯片布置所带来的热耦合问题。

实用新型内容

考虑上述技术要点，本实用新型提供了一种低杂散电感衬底及其功率半导体模块，缩小了回路面积，缩小了并联芯片间杂散参数的差异，实现了电参数和热参数均衡的低杂散电感衬底。

本实用新型采用的技术方案是：

所述衬底包括多个金属敷层及其上安装的多个功率半导体芯片，具体包括：

第一金属敷层，第一功率半导体芯片安装在所述第一金属敷层上；

第二金属敷层，布置于第一金属敷层旁，在第二方向的反向上与第一金属敷层相邻，并且通过接合装置与第一金属敷层上的第一功率半导体芯片相连；

第三金属敷层，布置于第一金属敷层旁，在第二方向上与第一金属敷层相邻，并且通过接合装置与第一金属敷层上的第一功率半导体芯片相连；

第三金属敷层，第二功率半导体芯片安装在所述第三金属敷层上；第四金属敷层，布置于第一金属敷层旁，在第二方向上与第三金属敷层相邻，并且通过接合装置与位于第三金属敷层上的第二功率半导体芯片相连。

所述的第二方向和第一功率半导体芯片的安装布置方向一致。

所述第一金属敷层在第一方向和第一方向的反向上有突出于第三金属敷层和第四金属敷层的第一延伸结构，并且第一延伸结构突出于第三金属敷层和第四金属敷层的部分再沿第二方向向第三金属敷层和第四金属敷层延伸形成第二延伸结构，延伸长度至少使延伸部分超过第三金属敷层。

优选地，延伸结构突出于第三金属敷层和第四金属敷层的部分再第二方向向第二金属敷层延伸。

所述的第一方向和第一功率半导体芯片的安装布置方向相垂直。